超導(dǎo)波蕩器樣機冷屏冷卻系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

趙乾坤 倪 清 王金坤

(1 中國科學(xué)院上海高等研究院 上海 200120)

(2 上?？萍即髮W(xué) 上海 200120)

1 引 言

在相同磁間隙和磁周期下,超導(dǎo)波蕩器(Superconducting Undulator,SCU)可產(chǎn)生高強度磁場和K值[1-2]。超導(dǎo)磁體作為SCU 的關(guān)鍵組件,其工作環(huán)境為液氦溫區(qū),為減少運行熱負荷,在磁體外安裝冷屏成為屏蔽輻射熱的有效手段[3]。美國ANL 的SCU樣機[4-5]、德國KIT 的SCU 樣機[6]和中國國內(nèi)的SINAP-SCU 模型機[1]均采用小型制冷機熱傳導(dǎo)冷卻冷屏,即制冷機與SCU 集成一體,以制冷機冷頭作為冷源,該冷卻方式簡單易操作、設(shè)備占空間少,但制冷能力有限,只適用于小型SCU 冷屏冷卻。中國臺灣NSRRC 的SU1.5[7]選擇管內(nèi)輸入液氮-氮氣對流換熱冷卻冷屏,該方法可將冷屏降溫至77 K。胡銳等[8]設(shè)計并驗證了以液氮-氮氣為冷卻介質(zhì),遠距離冷卻冷屏的實驗方案,實驗表明冷屏溫度約7 h 后冷卻至70 K。

針對4 m 長SCU 冷屏,采用集成小型制冷機則無法滿足制冷需求,為此,設(shè)計了以大型斯特林制冷機為冷源,通過分配閥箱和冷卻管輸送冷氦氣至SCU冷屏,換熱后返回斯特林制冷機。理論計算和降溫實驗表明,冷屏可快速、高效冷卻至目標溫度。

2 設(shè)計要求

2.1 冷屏結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)波蕩器樣機(Superconducting Undulator Prototype,SCUP)冷屏是一個中空圓柱體,位于超導(dǎo)磁體與真空室主筒體之間,通過支撐結(jié)構(gòu)固定于真空室主筒體上。主要作用是減少外界對超導(dǎo)磁體的輻射熱,防止冷屏熱負荷過高無法冷卻至目標溫度,影響超導(dǎo)磁體的運行[8]。

SCUP 冷屏(圖1)由鋁材制成,設(shè)計溫度為65 K,長為4 300 mm,內(nèi)徑為580 mm,壁厚為5 mm;冷屏外表面等間隔分布兩根沿長度方向伸展的不銹鋼氦管,氦管外方內(nèi)圓,孔徑為20 mm,外方尺寸為22 mm ×22 mm,外部接口兩進兩出。冷氦氣由進口1 和進口2 進入氦管,換熱后的熱氦氣由出口1 和出口2排出。

圖1 冷屏結(jié)構(gòu)Fig.1 Thermal shield structure

2.2 設(shè)計參數(shù)

SCUP 冷屏冷卻參數(shù)如下:(1)冷卻介質(zhì):氦氣;(2)冷屏熱負荷:840 W;(3)質(zhì)量流量:≥30 g/s;(4)出口溫度:≤60 K;(5)氦氣壓力:0.8 MPa。

3 冷卻系統(tǒng)

圖2 冷屏冷卻系統(tǒng)Fig.2 Thermal shield cooling system

3.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)以斯特林制冷機為冷源,通過調(diào)節(jié)旁通路閥門CV4、冷屏回氣管路閥門CV2、CV3 的開度和氦循環(huán)風扇的轉(zhuǎn)速來控制冷屏降溫速率,運行過程中,循環(huán)風扇轉(zhuǎn)速設(shè)定為15 000 r/min,主路閥門CV1 開度為100%,CV2、CV3 開度為50%—80%,CV4 閥門開度為10%—30%,具體流程如圖3 所示。

圖3 冷卻系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart of cooling system

為保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行,系統(tǒng)還具有以下特點:(1)循環(huán)風扇兩側(cè)增加取壓口,以監(jiān)測循環(huán)風扇壓差;(2)冷頭進出口設(shè)置PT100 溫度計,以監(jiān)測氦氣溫度;(3)設(shè)有氦氣充放口,在冷屏溫度升高/降低時,保證氦管壓力;(4)設(shè)有真空抽口,在運行前進行氦氣置換,保證氦管清潔。

3.2 斯特林制冷機

SCUP 冷屏冷卻系統(tǒng)所需冷量由制冷機產(chǎn)生,制冷機是該系統(tǒng)的核心設(shè)備。制冷機的可靠性和制冷量是影響循環(huán)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵性能[9]。斯特林制冷機是利用氣缸內(nèi)的氦氣周期性膨脹和壓縮來產(chǎn)生冷量,其工作過程包括兩個等溫和兩個等容過程[10],與其他低溫冷卻原理相比,斯特林低溫發(fā)生器效率極高。

文中所設(shè)計的冷屏冷卻系統(tǒng)選擇SPC-4 型四缸單級斯特林制冷機,制冷量為1.6 kW@50 K,如圖4 所示。

圖4 斯特林制冷機Fig.4 Stirling cryocooler

冷屏總熱負荷為840 W,總換熱量在總熱負荷基礎(chǔ)上預(yù)留10%的余量,既總換熱量為924 W;氦循環(huán)風扇(50—60 K、30 g/s)的動力損耗約為63—76 W(圖5),基于效率值35% 計算,得出最大總功耗217 W,靜態(tài)損耗25 W(見表1),故氦循環(huán)風扇的總熱負荷為242 W,系統(tǒng)運行中總熱負荷為1 166 W。斯特林制冷機冷頭換熱量(1 600 W)大于1 166 W,滿足使用要求。

圖5 氦循環(huán)風扇流量與揚程、動力損耗的關(guān)系Fig.5 Relation of helium circulation fan flow with head and power loss

3.3 分配閥箱

分配閥箱(圖6)位于SCUP 和斯特林制冷機之間,既為閥箱內(nèi)外部之間的連接提供接口,又為內(nèi)部組件提供支撐框架[11]。分配閥箱材料選用304 不銹鋼,整體高度為1 365.4 mm,外徑為896 mm。主要由上部蓋板、筒體和下部組件組成,蓋板主要用于承載閥門、氦循環(huán)風扇、安全閥等組件;筒體內(nèi)部包含多根316 L 材質(zhì)的管道,管道上安裝有30—300 K 的溫度傳感器以時時監(jiān)測管路溫度,筒體外部安裝一個控制箱,用以控制氦循環(huán)風扇的轉(zhuǎn)速和閥門開度,進而控制降溫速率。

圖6 分配閥箱Fig.6 Distribution valve box

為了減少分配閥箱內(nèi)管道的冷量損失,管道外表面纏繞有多層隔熱材料,且閥箱內(nèi)部需保持了一個高真空的工作環(huán)境[12]。當閥箱外表面有結(jié)露/結(jié)霜時,可利用筒體外部預(yù)留的真空抽口進行抽空,以維持內(nèi)部的高真空環(huán)境。系統(tǒng)中閥箱的整體漏率不高于1.0 ×10-8Pa·m3/s,腔體的真空度不高于1.0 ×10-2Pa。

3.4 氦循環(huán)風扇

氦循環(huán)風扇(圖7)位于閥箱上部蓋板中心位置,主要有電機、葉輪和泵殼組成,葉輪由高轉(zhuǎn)速電機驅(qū)動。氦循環(huán)風扇主要用于提供氦氣循環(huán)動力和調(diào)節(jié)流量以滿足斯特林制冷機冷頭換熱流量和平衡流阻,參數(shù)見表1。

陡河水庫位于唐山市陡河上游，是河北省在新中國成立后興建的第一座大型水庫。1956年建成投入運用后，經(jīng)歷了1970年續(xù)建、1976年震后修復(fù)、1989年工程加固建設(shè)，2003年開展了國家級水管單位的達標建設(shè)。其后經(jīng)過長達20年的運行管理，目前已經(jīng)發(fā)展成具有防洪、供水等多種功能的大型水利樞紐工程。陡河水庫在主壩壩基抗震液化與治理方面所積累的經(jīng)驗和教訓(xùn)可為類似水庫壩基抗震液化治理提供參考。

圖7 氦循環(huán)風扇Fig.7 Helium cycle fan

表1 氦循環(huán)風扇參數(shù)Table 1 Helium cycle fan parameters

氦循環(huán)風扇兩端連接壓力變送器,通過監(jiān)測得壓差值計算氦循環(huán)風扇得揚程,由圖8 可查得回路中氦氣的流量。

該冷卻系統(tǒng)流阻主要包括冷頭換熱器、冷屏盤管、連接管路和低溫閥門等。因此,在滿足質(zhì)量流量的前提下,氦循環(huán)風扇的揚程應(yīng)能覆蓋該系統(tǒng)的流阻。

單個冷頭盤管采用無氧銅盤繞,盤繞直徑為150 mm,內(nèi)徑為10 mm,盤繞圈數(shù)為6 圈,總長度約3 m。冷屏冷卻氦管內(nèi)徑為20 mm,單根長度為10.35 m。

流阻計算公式為:

雷諾數(shù):

沿程阻力:

沿程阻力系數(shù):

式中:Re為雷諾數(shù);ν為流速,m/s;μ為粘度,Pa·s;d為管道內(nèi)徑,m;ρ為密度,kg/m3。

由式(1)計算得出,冷屏管內(nèi)雷諾數(shù)為264 110≤Re≤294 374,冷頭盤管雷諾數(shù)為528 133≤Re≤588 515,故氦氣在冷頭盤管與冷屏管內(nèi)均處于完全紊流狀態(tài)。

由式(2)和(3)計算得出,λ約為0.015;單根冷卻氦管壓損為4 681—5 607 Pa,單個冷頭壓損為2 713—3 250 Pa。不考慮連接管路和閥門的情況下,總沿程阻力約7 394—8 857 Pa,考慮局部阻力和其他壓損,總壓損約8 872.8—10 628.4 Pa。

氦循環(huán)風扇轉(zhuǎn)速為15 000 r/min,循環(huán)流量為30 g/s(50—60 K)時,揚程約為220 m(圖8),故壓頭為13 625.1—16 328.7 Pa,大于系統(tǒng)總壓損,效率值約30%—35%,滿足使用要求。

圖8 氦循環(huán)風扇流量與揚程、效率的關(guān)系Fig.8 Relation of helium cycle fan flow rate with head and efficiency

3.5 氦氣供/回管線

氦氣供/回管線分兩部分,一部分管線鏈接于斯特林制冷機和閥箱,該部分管線由規(guī)格為DN32,長度約2 m 的兩根管線(一供一回)組成;另一部分管線連接于閥箱與SCUP,該部分管線由規(guī)格為DN20,長度約6 m 的四根管線(兩供兩回)組成,如圖9 所示。

圖9 氦氣管線結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Helium pipeline structure drawing

為方便對接和降低震動對管道影響,管線中間采用軟管連接,兩端采用bayonet 接頭連接。為減小輻射傳熱,內(nèi)管外表面采用高反射性能的多層隔熱材料繞制,包扎層數(shù)為30 層,層密度為20 層/ cm。采用G10 作為多層絕熱材料與外觀內(nèi)壁的支撐材料,避免二者直接接觸增加熱傳導(dǎo)[13]。

4 冷屏降溫實驗

基于數(shù)值計算結(jié)果,搭建冷屏冷卻系統(tǒng)實驗平臺,如圖10 所示。實驗開始前,采用真空泵對氦管、制冷機進行3—5 次抽空置換,氦管和制冷機內(nèi)充入高純氦氣,壓力分別為0.8 ×103Pa 和2.2 ×103Pa。開啟氦循環(huán)風扇和斯特林制冷機,氦循環(huán)風扇轉(zhuǎn)速為15 000 r/min,主路閥門CV1 開度設(shè)定100%、旁通路閥門CV4 開度設(shè)定10%、冷屏回氣管路閥門CV2、CV3 的開度均設(shè)定65%。冷卻系統(tǒng)運行約6 h,冷頭溫度為40.3—41.5 K,冷頭氦氣出口溫度由300 K 降至41.2 K,冷屏溫度降由300 K 降至42.84—44.44 K,氦循環(huán)風扇兩側(cè)壓差為18 670 Pa,降溫數(shù)據(jù)見表2和圖11 所示。

圖10 冷屏冷卻系統(tǒng)Fig.10 Thermal shield cooling system

表2 斯特林制冷機降溫參數(shù)Table 2 Stirling cryocooler cooling parameters

由表2 可知,斯特林制冷機氦氣出口溫度為41.2 K 滿足設(shè)計要求,進出口溫差約3 K;根據(jù)氦循環(huán)風扇兩側(cè)壓差和氦氣入口溫度得出揚程為222.5 m,質(zhì)量流量約35.7 g/s,滿足使用要求。

圖11 表明,斯特林制冷機、冷屏氦管和冷屏降溫均呈現(xiàn)先快后慢的趨勢;冷頭出口降溫速率在2 h 后呈現(xiàn)平穩(wěn)緩慢下降趨勢;冷屏兩氦管進口降溫曲線基本保持一致;冷屏兩監(jiān)測點溫度由于距離氦管遠近不同,降溫速率也不同,最終溫度基本一致;降溫速率:制冷機出口＞冷屏氦管進口＞冷屏。

5 結(jié) 論

為解決大型SCU 冷屏冷卻問題,設(shè)計并驗證了以大型斯特林制冷機為冷源,通過分配閥箱和氦管冷卻冷屏的方案。針對冷屏冷卻需求,理論分析了斯特林制冷機和氦循環(huán)風扇選型的合理性。降溫實驗表明,系統(tǒng)運行約6 h 后,冷屏降至42.84—44.44 K;冷屏溫度穩(wěn)定后,冷屏上最大溫差為1.6 K,溫度均勻性良好;氦循環(huán)風扇質(zhì)量流量為35 g/s,滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)降溫過程中,無需對制冷機再額外補充氦氣,即可實現(xiàn)氦管內(nèi)冷熱氦氣的循環(huán)。冷屏降溫數(shù)據(jù)為后續(xù)應(yīng)用于工程的SCU 冷屏結(jié)構(gòu)的改進提供了數(shù)據(jù)參考。